专利名称：用于充液变压器的聚酰胺电绝缘体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含脂肪族聚酰胺和/或一种或多种共聚物和/或其添加剂的热塑性薄膜或者纤维材料、采用该材料绝缘的电气元件以及制造该电气元件的方法。本发明更具体地涉及一种在充液电变压器的单个导体、导体组、以及层间进行电绝缘的脂肪族聚酰胺薄膜或者纤维材料，该材料具有改进的防潮性、湿度稳定性、热稳定性、导热性、减小的绝缘厚度、减小的收缩性和改进的绝缘弹性。
背景技术：
充液变压器中现有的标准绝缘材料是具有各种厚度和密度的纤维素材料。基于纤维素的绝缘材料(通常称为牛皮纸(Kraft papers))，自从二十世纪初期已广泛应用于充油配电设备中。尽管纤维素有一些缺点，但是牛皮纸由于其低成本以及适宜的良好性能而实际上仍然作为所有充油变压器的绝缘材料的选择。遗憾的是，纤维素聚合物受到热降解以及容易氧化和水解。
一般，基于纤维素的绝缘材料用于使变压器内部结构的五个不同部分绝缘。这五个不同部分主要包括(1)电磁线的匝间的绝缘；(2)层间的绝缘；(3)低电压线圈与地间的绝缘；(4)高电压线圈与低电压线圈间的绝缘；(5)高电压线圈与地间的绝缘。
低电压线圈与地间的绝缘以及高、低电压线圈间的绝缘体通常由与充液空间结合的实心管组成。这些充液空间的用途在于通过介质对流对铁芯和线圈结构进行散热，并且也有助于提高绝缘强度。内匝绝缘体一般直接放置在矩形的电磁线上并且缠绕为纸带。用于层间、线圈间以及线圈与地间绝缘而选择的材料依据绝缘需求而定。这些材料可以不同于在较小变压器中使用的牛皮纸，而由重纤维素压板、纤维素纸或瓷片制成的相对厚的隔离件用于较高速率的变压器。
以下区域重点描述现有技术。
水分 变压器中存在的水分通过降低电气强度和机械强度而恶化纤维素变压器的绝缘性。通常，如果含水量每增加一倍则绝缘体的机械寿命会减少一半，并且所述纸的热损坏率与其含水量成比例。从20世纪20年代开始，人们已经认识到纸和充油系统中水分存在的重要性。
纤维素材料的电特性在很大程度上取决于其含水量。对于多数应用来说，0. 5%的最大初始含水量被视为是可接受的。为了达到该含水量水平，纤维素材料在浸油之前需要在热和真空条件下进行处理以去除水分。在不导致化学降解的情况下完全去除纤维素绝缘体中的水分实际上是不可能的。在不损坏其机械和电特性的情况下，确定纤维素为了脱水而能被安全加热所达到的极限，仍然是变压器设计者和制造者的主要难题。
纤维素在暴露于空气中时会极快速地从空气中吸收水分。如果不立即浸油，纤维素会在很短的时间内与空气湿度达到平衡。纤维素在浸油之后，其吸水速度将变得非常慢。
纤维素绝缘材料在变压器中浸油饱和之后，会进一步暴露于油中的水分，并将继续吸收可得的水分。这部分地是由于来自周围空气中的水被吸收到油中。这种继续吸收水分的结果会导致纤维素绝缘体出现一些问题，从而增加老化速度和降低电特性。纤维素具有很强的吸水性(吸湿性)，因此其不会与绝缘液体均分水分。纤维素绝缘体的这种吸湿特性，对于采用其进行绝缘的变压器的制造和维护来说，造成了前所未有的难度。
水分的存在将加速老化速度。含水量为的绝缘纸的老化速度比含水量只有 0.3%的绝缘纸快6倍。因此，几十年来，试图基本减少由于固态绝缘体中水分的存在导致的这种无法忍受的变化已经成为大量工程尝试的动力。
而且，随着纤维素的老化，分子中的葡萄糖环链会分解，并释放一氧化碳、二氧化碳和水。水与油中的杂质附着，并降低油的质量，尤其是介电强度。少量甚至是微量的水分，都会加速纤维素绝缘体的恶化。研究表明，即使在没有氧化作用的情况下，随着水分的增加，纤维素的强度下降会越来越快。
收缩性 变压器中的纤维素材料在浸油之前必须要在热和真空条件下进行处理以去除水分。当水分去除后，纤维素材料会收缩。当受到压力时，其也会压缩。因此，在变压器装配过程中，在调整线圈到所需的尺寸之前需要干燥以及预压缩纤维素绝缘材料以使线圈尺寸稳定。
导热性 如果整个系统不将多余的热量散发出去的话，由于电绝缘体的热绝缘特性而在变压器中存在的局部热区(HST或者热点温度)将导致这些局部热区周围出现热失控。必须适当地散热来防止导致变压器损坏的过量热积聚。局部温度的过度升高会引起绝缘体的快速热降解以及随后的电击穿。
化学稳定性 氧化可以受控制但是不能被消除。氧气来自大气中，或者是由于受热而从纤维素释放的。由于某些被称为极性化合物的油腐蚀性产物，比如酸、过氧化物和水的存在，纤维素的氧化会加速。第一腐蚀性产物，过氧化物、溶于水且高挥发性的酸，会迅速被纤维素吸收到饱和水平。当存在氧气和水时，这些“破坏的种子”会对纤维素的结构产生强有力的破坏作用。低分子量的酸在初始阶段被纤维素绝缘体剧烈吸收，然后，该吸收过程的速度会变慢。氧化反应会破坏纤维素分子的一个或者多个分子键。这种化学变化的最终结果是产生更多的极性基团，并且形成更多的水。最普通形式的氧化污染会将酸基引入固态或液态绝缘体中。氧化所产生的酸性物质会使纤维素绝缘体的聚合物链(聚合在一起的小分子)分裂，并导致其抗张强度下降。其也会使得纤维素绝缘体变脆。
热降解 很大百分率的纤维素变质最初是由热引起的。升高的温度会加速老化，从而导致机械和介电强度下降。其次的效应包括纸的分解(DP，或者解聚作用)，水、酸性物质和气体的产生。如果任何水分保留在其产生的地方，其进一步加速老化过程。加热导致纤维素(葡萄糖)分子中的链键断裂，使得分子分解，使得形成水。所形成的水导致持续的新的分子分裂，并弱化纸浆纤维中分子链的氢键。
降低线圈紧密度 变压器的热另外地产生两个问题纤维素材料的脆化和纤维素的收缩性。这样导致变压器结构松散，在冲击力下或者故障时移动，从而导致损害其绝缘性。
导电绝缘体的弯曲承受力 当前使用的纤维素纸具有15% -20%的纵向伸长率，该纤维素纸导致导电绝缘体较轻地受到在线圈制造中的弯曲或缠绕的损害。但是当前的纸具有小于5%的横向伸长率。 这对于变压器制造者优化绝缘线的弯曲存在一些限制，并且可能不允许这些材料用作线性应用的绝缘体中。
希望具有一种改进的电绝缘材料，其能够克服目前使用的纤维素电绝缘体的上述缺点。也希望具有一种不受水分不利地影响的绝缘材料，该绝缘材料在初始制造步骤中无需干feo
发明内容
全部或者部分由脂肪族聚酰胺、和/或一种或多种共聚物、和/或其添加剂制成的电绝缘材料可以以薄膜形式或者纤维形式在充液变压器中用作绝缘体。该薄膜或纤维中包含比如在专利号为2705227，3519595以及4172069的美国专利中大量描述的热/化学稳定剂。术语“聚酰胺”指的是一族聚合物，其特征在于包含酰胺基。
很多技术上使用的合成聚酰胺来自于包含6-12个碳原子的单体；最常用的是PA6 和PA66。大多数的半晶质聚酰胺中的酰胺基能够在-NH单元和-CO单元之间形成强静电力 (氢键)，从而产生高熔点、异常的强度和硬度、高防护特性和良好的耐化学性。而且，酰胺单元还与水形成很强的相互作用，使得聚酰胺吸水。这些水分子被插入到氢键中，减弱分子间的吸引力，并成为塑化剂，导致异常的韧性和弹性。
水分 本发明提供的电绝缘体暴露在水分中时表现出韧性和伸长率的增加。长期暴露于水分不会产生负面的老化效应。本发明提供的材料会吸收水分，并将其从周围的油中去除， 这可能是有益效果。
收缩性以及降低的绕组紧密度 因为本发明提供的材料使用前不需要干燥，因此也就不存在现有技术的初始收缩的问题。进一步，暴露于高的变压器温度和湿度下也不会导致脆化。变压器也就不会面临绕组紧密度降低的问题。此外，由于该材料的高抗张强度以及伸长的弹性复原性，因此匝绝缘体能够保持紧紧缠绕在导电线上。此外，本发明的薄膜实施例中应力引发的结晶度将提供长期的改进的尺寸稳定性。
导热性 本发明的材料薄膜实施例具有的K系数(热导率的单位为W/(m*K))为0. 25。浸油的纤维素材料的K系数大约是0. 10(基于50%的油饱和率)。而且，本发明的材料的介电强度大约是相同厚度的油浸纤维素绝缘体的介电强度的两倍，因而只需大约一半厚度的绝缘体即可产生相同的电绝缘特性。这使得匝间的导热性最少会提高4倍，因而整个系统的导热性会显著提高。采用本发明的薄膜实施例将对在过载状况下绕组的热点区域中的绝缘纸的“最差情形”的热应力的设计降低要求。
热降解和抗氧化性 本发明的脂肪族聚酰胺绝缘材料将包含一种或多种热/化学稳定剂，例如但不限于，卤化铜、溴化铜、碘化亚铜、醋酸铜、溴化钙、溴化锂、溴化锌、溴化镁、溴化钾、碘化钾，仅列出一些。这些化合物提供良好的热/化学稳定性，超出当前变压器设计的长久需求，如将在下文中更详细地描述的。它们可以使设计者在更高的温度下运行变压器，并且比当前采用的纤维素绝缘体提供更长的操作寿命。这些添加剂的选定的混合物以约0. 1到约10% (优选为约2% )的范围的重量比存在于聚合物混合物中。
导电绝缘体的弯曲承受力 本发明的脂肪族聚酰胺薄膜绝缘材料，如果制造时在纵向上具有应力引起的结晶，则对于匝(导体)绝缘来说具有理想的机械特性，例如，非常高的纵向抗张强度，非常高的纵向伸长率和弹性复原性，以及非常高等级的横向伸长率(超过100% )，该横向伸长率将为线性或者螺旋缠绕型绝缘体提供更多用途。这些特征使得高速导体以合适的覆盖率缠绕电磁线，无论后续怎样弯曲和扭转电磁线均保持紧密。通过伸展和伸长脂肪族聚合物薄膜合成体的片，绝缘材料的薄膜形式纵向上可能受到应力引发的结晶。
将本发明的脂肪族聚酰胺绝缘材料和纤维素绝缘材料的抗张强度、伸长率、导热性、热传递系数特性对照，观察到的对照结果如下
权利要求
1.一种变压器组件，其包括导电线圈，所述组件采用脂肪族聚酰胺绝缘材料绝缘，所述材料包含稳定化合物，所述稳定化合物用于当所述变压器组件在充油环境中使用时提供增强的热稳定性和化学稳定性。
2.根据权利要求1所述的变压器组件，其中所述稳定化合物选自于卤化铜、溴化铜、碘化亚铜、醋酸铜、溴化钙、溴化锂、溴化锌、溴化镁、溴化钾、碘化钾及其混合物。
3.根据权利要求2所述的变压器组件，其中选定的所述稳定化合物的混合物在所述绝缘材料中的量为占所述绝缘材料的重量的大约0. 到大约10. 0%。
4.根据权利要求1所述的变压器组件，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺薄膜绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的变压器组件，其中所述薄膜绝缘材料至少部分由应力引发结晶化。
6.根据权利要求1所述的变压器组件，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺纤维绝缘材料。
7.—种电磁线，所述电磁线采用脂肪族聚酰胺绝缘材料绝缘，所述材料包含化合物，该化合物用于在所述电磁线在充油变压器中使用时提供增强的热稳定性和化学稳定性。
8.根据权利要求7所述的电磁线，其中所述稳定化合物选自于卤化铜、溴化铜、碘化亚铜、醋酸铜、溴化钙、溴化锂、溴化锌、溴化镁、溴化钾、碘化钾及其混合物。
9.根据权利要求8所述的电磁线，其中选定的所述稳定化合物的混合物在所述绝缘材料中的量为占所述绝缘材料的重量的大约0. 到大约10.0%。
10.根据权利要求7所述的电磁线，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺薄膜绝缘材料。
11.根据权利要求10所述的电磁线，其中所述薄膜绝缘材料至少部分由应力引发结晶化。
12.根据权利要求7所述的电磁线，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺纤维绝缘材料。
13.—种高温液体变压器电磁线圈，所述线圈采用脂肪族聚酰胺绝缘材料绝缘，所述材料包含用于当所述电磁线圈浸入充油变压器中时提供增强的热稳定性和化学稳定性的化合物。
14.根据权利要求13所述的电磁线圈，其中，所述稳定化合物选自于卤化铜、溴化铜、 碘化亚铜、醋酸铜、溴化钙、溴化锂、溴化锌、溴化镁、溴化钾、碘化钾及其混合物。
15.根据权利要求14所述的电磁线圈，其中选定的所述稳定化合物的混合物在所述绝缘材料中的量为占所述绝缘材料的重量的大约0. 到大约10.0%。
16.根据权利要求13所述的电磁线圈，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺薄膜绝缘材料。
17.根据权利要求16所述的电磁线圈，其中所述薄膜绝缘材料至少部分由应力引发结晶化。
18.根据权利要求13所述的电磁线圈，其中所述绝缘材料为脂肪族聚酰胺纤维绝缘材料。
全文摘要
一种用于在充液变压器的单独的导体、导体组、电磁线、电磁线圈以及层间进行电绝缘的脂肪族聚酰胺薄膜或者纤维材料。该材料通过添加剂稳定，该添加剂有助于改善绝缘材料的防潮性、水稳定性、热稳定性、导热性，降低绝缘厚度、收缩性，改善绝缘弹性，进而为材料提供更长的使用寿命。
文档编号H01B3/30GK102187404SQ200980141191
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月17日 优先权日2008年8月15日
发明者马丁·温伯格 申请人:马丁·温伯格